ANEXO Nº 3. TRABAJO DE ASESORAMIENTO PARA LA REDACCIÓN DEL PROYECTO DEL EMISARIO DE GORLIZ (UNICAN)

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Proyecto de Emisario de Gorliz. Tramo Submarino

ANEXO Nº 3. TRABAJO DE ASESORAMIENTO PARA LA REDACCIÓN DEL PROYECTO DEL EMISARIO DE GORLIZ (UNICAN)

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TRABAJOS DE ASESORAMIENTO PARA LA REDACCIÓN DELPROYECTO DEL EMISARIO DE GORLIZ

ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ...1

2. DATOS DE PARTIDA...2

2.1. ZONA DE ESTUDIO...2

2.2. DATOS BATIMÉTRICOS Y GEOFÍSICOS. ...4

2.3. DENSIDAD DEL AGUA DEL MEDIO RECEPTOR...4

2.4. CARACTERÍSTICAS DEL EFLUENTE...5

2.5. DINÁMICA MARINA...6

2.5.1. Marea astronómica ...6

2.5.2. Viento...8

2.6. ZONIFICACIÓN DE USOS. ...9

2.7. ALTERNATIVAS DE ESTUDIO...10

3. MODELADO DE LA HIDRODINÁMICA MARINA ...12

3.1. CALIBRACIÓN DE LOS MODELOS HIDRODINÁMICOS...13

3.1.1. Análisis de datos oceanográficos ...13

3.1.2. Calibración de los modelos hidrodinámicos...17

3.2. CORRIENTES GENERADAS POR LA MAREA ASTRONÓMICA...25

3.3. CORRIENTES GENERADAS POR EL VIENTO...29

4. DISEÑO AMBIENTAL DEL EMISARIO ...32

4.1. INTRODUCCIÓN...32

4.2. DILUCIÓN INICIAL...33

4.2.1. Introducción. ...33

4.2.2. Formulación del fenómeno de dilución inicial...34

4.2.3. Modelos utilizados en el estudio. ...35

4.2.4. Resultados...40

4.3. MODELADO DE DISPERSIÓN DEL VERTIDO...41

4.3.1. Introducción. ...41

4.3.2. Metodología utilizada...41

4.3.3. Modelado de la evolución de las sustancias en el medio marino.45 4.3.4. Casos estudiados ...47

4.3.5. Resultados...48

5. ESTUDIO HIDRÁULICO...55

5.1. INTRODUCCIÓN...55

5.2. DEFINICIÓN DEL EMISARIO SUBMARINO Y EL TRAMO DIFUSOR...56

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5.3. PÉRDIDAS DE CARGA ...57

5.4. VELOCIDAD CRÍTICA DE LIMPIEZA DE LA TUBERÍA...57

5.5. TIEMPO DE LIMPIEZA...58

5.6. PERIODICIDAD DE LIMPIEZA...59

5.7. LIMPIEZA DE BURBUJAS DE AIRE DEL EMISARIO...61

6. OLEAJE DE DISEÑO Y PROTECCIONES ...63

6.1. ESTABLECIMIENTO DEL OLEAJE DE CÁLCULO...63

6.1.1. Periodo de retorno ...63

6.1.2. Determinación del oleaje de diseño. ...67

6.2. DIMENSIONAMIENTO DE ESCOLLERAS DE PROTECCIÓN...69

7. RESUMEN Y CONCLUSIONES ...72 ANEJO 1. DESCRIPCIÓN DE LOS MODELOS NUMÉRICOS H2D Y H2DZ ANEJO 2. TRABAJOS DE CALIBRACIÓN DE LOS MODELOS HIDRODI-

NÁMICOS EN LA ZONA DE GORLIZ ANEJO 3. CORRIENTES DE MAREA

ANEJO 4. CORRIENTES DE VIENTO ANEJO 5. DISPERSIÓN DEL VERTIDO

ANEJO 6. DESCRIPCIÓN DEL MODELO HIDRÁULICO EPANET ANEJO 7. MODELO HIDRÁULICO DEL EMISARIO

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1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS

En Septiembre de 2006 la empresa SAITEC, S.A, solicitó al Departamento de Ciencias y Técnicas del Agua y del Medio Ambiente de la Universidad de Cantabria, una asistencia técnica para la redacción del proyecto del emisario submarino de Gorliz.

El contenido de la asesoría técnica solicitada está relacionado con el dimensionamiento hidráulico y medioambiental de un nuevo emisario submarino para el saneamiento integral del río Butrón. Este nuevo emisario dará salida al vertido de la EDAR de Gorliz, que recoge actualmente el saneamiento de las aguas residuales de los municipios vertientes al estuario formado por dicho río, re-emplazando el emisario actual.

Este informe recoge los trabajos realizados al respecto por la Universidad de Cantabria, centrados en el análisis ambiental de alternativas de vertido por emisario, el diseño del tramo difusor, el estudio hidráulico del emisario y la definición del oleaje de diseño y peso de las escolleras de protección. Como datos de partida se tiene una campaña oceanográfica que consta de una caracterización del medio acuático receptor, una campaña batimétrica y geofísica.

El análisis de la dispersión de un vertido en aguas costeras es una tarea compleja, que requiere de la utilización de herramientas numéricas.

En los siguientes apartados se describe los modelos numéricos empleados, que han sido desarrollados por la Universidad de Cantabria y ampliamente utilizados y validados en estudios de similares características en diversos puntos de la geografía de la Península Ibérica.

El conjunto de los trabajos indicados han sido desarrollados por los Dres.

Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos D. Andrés García Gómez y D. César Álvarez Díaz y el Ingeniero Ambiental D. Jorge Rojo Gómez, con la dirección del Catedrático de Ingeniería Hidráulica D. José A. Revilla Cortezón.

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2. DATOS DE PARTIDA

2.1. ZONA DE ESTUDIO

La zona de estudio se halla enmarcada en la costa Cantábrica al Norte de España, situada al Este de Bilbao, correspondiente con la franja costera situada entre la Punta Galea y Cabo Villano, en la que se incluyen la salida del Abra de Bilbao y la ría de Plentzia (ver figura 1).

Esta franja litoral, en la que se ubicará el punto de vertido del emisario, se caracteriza por la presencia alternada de acantilados y playas que bordean la costa como puede apreciarse en la fotografía aérea (figura 2), entre las que destaca, por su proximidad al emisario, las playas de Gorliz y Plentzia fotografiadas en la figura 3.

Figura 1. Batimetría de la zona de costa objeto de estudio. Fuente: Carta náutica 942 del Instituto Hidrográfico de la Marina.

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Figura 2. Fotografía aérea de la zona de estudio.

Figura 3. Imágenes de las playas cercanas a la zona de ubicación del emisario.

Playa de Gorlliz

Playa de Plentzia

Playa de Muriola

Playa de Barrika

Playa de Meñacoz

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Playas de Gorliz a la izquierda y Plentzia a la derecha. (Fuente: Página Web del Ministerio de Medio Ambiente, guía de playas. www.mma.es/secciones/acm/aguas_marinas_litoral/guia_playas).

2.2. DATOS BATIMÉTRICOS Y GEOFÍSICOS.

Los datos batimétricos de la zona objeto de análisis se han obtenido de las cartas náuticas números 940 y 941 del Instituto Hidrográfico de la Marina. Dicha información se ha completado con los datos batimétricos recogidos en la campaña de campo realizada específicamente en la zona y que se recoge en la figura 4.

Figura 4. Batimetría de detalle de la zona de ubicación del emisario submarino

2.3. DENSIDAD DEL AGUA DEL MEDIO RECEPTOR

En lo que se refiere a los perfiles verticales de densidad, se dispone de los indicados en la figura 5. Estos datos corresponden al área costera de San Sebastián y fueron tomados en unas campañas de campo realizadas en 1992.

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Figura 5. Perfiles de densidad en la columna de agua.

2.4. CARACTERÍSTICAS DEL EFLUENTE

El emisario está previsto que en un futuro evacue los caudales procedentes de la EDAR de Gorliz, en la que la mayor parte del caudal (hasta 240 l/s) recibirán previamente a su descarga al medio receptor un tratamiento biológico con desinfección. Los caudales que se verterán a través del emisario submarino son los que se indican en la tabla 1.

Caudal Caudal (l/s)

Máximo^* 350-811

Punta^** 151

Medio 91

Mínimo 55

* Caudal máximo por emisario con alivio en costa y sin alivio

* Caudal que sólo se supera el 5% del tiempo

Tabla 1. Caudales de vertido a través del emisario submarino de Gorliz.

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El efluente de la planta estará compuesto fundamentalmente por aguas residuales urbanas. Para los cálculos que se presentan en este estudio se ha considerado, del lado de la seguridad, una concentración de indicadores de contaminación fecal en el efluente desinfectado de 10⁴ CF/100 ml y en el efluente sin desinfección de 10⁷ CF/100 ml.

2.5. DINÁMICA MARINA

2.5.1. Marea astronómica

Recibe el nombre de marea el movimiento de las grandes masas de agua de la superficie terrestre originado por las interacciones de tipo gravitatorio con los cuerpos celestes más cercanos, principalmente la Luna. Al tratarse de una composición de movimientos periódicos, la respuesta del nivel del mar conserva dicha periodicidad y su variación en un punto se puede modelar por medio de un sumatorio de senoides de frecuencias conocidas y de amplitudes y desfases incógnitas. Este enfoque de estudio local de la marea recibe el nombre de análisis armónico. Para llevar a cabo este análisis es necesario disponer de un registro de datos de nivel en un punto determinado, siempre cubriendo más de un mes de observación y con al menos una decena de puntos por cada ciclo de marea. Con dicho registro se puede proceder a un ajuste por mínimos cuadrados de las funciones elegidas, obteniéndose de él la amplitud y el desfase de cada componente.

A modo de ejemplo, de estos ajustes, en la tabla 2 se recogen los armónicos principales de la onda de marea en la costa cantábrica, registrados por los mareógrafos de la Red de Puertos del Estado (figura 6).

En los últimos años se han desarrollado numerosos modelos para caracterizar la onda de marea en todo el mundo. A partir de la puesta en órbita del satélite TOPEX / Poseidón se han generado grandes bases de datos con información del nivel del mar, que son utilizados por estos modelos para la representación de la onda de marea. Se ha seleccionado el modelo AG95.1 desarrollado por Andersen et al. (1995) que utiliza la base de datos “Grenoble”. Dicha base trabaja con trece armónicos de marea (M2, S2, K2, L2, N2, T2, MU2, NU2, 2N2, K1, O1, P1 y Q1) y puntos de una malla equidistante 0,5º x 0,5º. La información

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proporcionada por dicha base se ha transferido a la zona de estudio mediante un algoritmo de interpolación.

Figura 6. Ubicación de los mareógrafos en la costa española. (Fuente: Puertos del Estado).

COMPONENTES PRINCIPALES (m) MAREÓGRAFO

M2 S2 K1 O1 N2 P1 K2 Q1

Bilbao 1.325 0.464 0.066 0.071 0.280 0.021 0.132 - Santander 1.343 0.464 0.066 0.070 0.282 0.021 0.130 -

Gijón 1.315 0.459 0.068 0.072 0.276 0.021 0.131 0.072 Coruña 1.198 0.421 0.075 0.066 0.254 0.025 0.117 -

Vigo 1.123 0.388 0.076 0.065 0.238 0.025 0.110 - Tabla 2. Armónicos de la onda de marea registrada por los mareógrafos de la costa atlántica

española (amplitudes en cm) Fuente: Puertos del Estado.

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Con base en la información contenida en dicha base de datos se ha obtenido el régimen de nivel de marea astronómica en la zona de estudio. La variación del nivel del mar debida a la acción de este fenómeno se muestra en la figura 7.

7/15/06 7/22/06 7/29/06 8/5/06 8/12/06 8/19/06 8/26/06 9/2/06 9/9/06 9/16/06 -2.5

-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Nivel (m)

Figura 7. Onda de marea obtenida a partir de la base de datos de Grenoble

2.5.2. Viento

La distribución de la dirección e intensidad del viento en la zona costera objeto de estudio se resume en la figura 8, recogida en la R.O.M. 04.95.- Acciones Medioambientales. Viento.

Figura 8. Rosa de viento.

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Dicha información se presenta clasificada en la tabla 3. En ella puede observarse que se tiene en cuenta, además de viento en calma, dos situaciones: vientos moderados (entre 2 y 8 m/seg) y vientos fuertes (más de 8 m/seg).

Velocidad

(m/s) N NE E SE S SW W NW Calma Total

2 - 8 4,92 7,02 7,36 3,46 3,03 6,00 8,55 7,98 --- 48,32

> 8 3,24 4,42 4,11 1,89 1,54 4,67 9,21 6,47 --- 35,55 Total 8,16 11,44 11,47 5,35 4,57 10,67 17,76 14,45 16,13 100,00

Tabla 3. Régimen de viento (en tanto por ciento).

2.6. ZONIFICACIÓN DE USOS.

Cómo se ha mencionado, la zona de estudio se caracteriza por la presencia de una alternancia de playas y acantilados lo largo de la zona de estudio.

En la figura 9 se hace una clasificación de los usos del litoral, siendo de especial interés las zonas de baño asociadas a las playas y la zona de producción de moluscos ubicada en el interior de la ría de Plentzia.

Figura 9. Zonificación de usos.

A partir de la información recogida en la página web de la C.E.E “Bathing Water Quality“ (http://ec.europa.eu/water/water-bathing/index_en.html) se obtiene la calidad de las aguas de baño en la playa de Gorliz, como se muestra en la tabla 4.

Zonas de baño Recursos vegetales Producción de moluscos Extracción áridos

Vertido dragados Fondeaderos Puertos

Conservación de ecosistemas

MURIO

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La mera observación de estos datos pone en relieve que, en la situación existente, en la playa de Gorliz se han venido cumpliendo sistemáticamente a lo largo de los últimos diez años los valores imperativos de calidad de aguas de baño y, habitualmente, los valores guía.

Cumple los valores guía Cumple los valores legales No cumple los valores legales Muestras insuficientes o sin datos Prohibido el baño

GORLIZ

1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 PLAYA DE GORLIZ

PLAYA DE GORLIZ

Tabla 4. Calidad de las aguas de baño en las playas ubicadas en la zona de estudio

2.7. ALTERNATIVAS DE ESTUDIO

Para la disposición del emisario submarino se han definido una serie de alternativas de trazado (1, 2, 3, y 3g) que se indican en la figura 10.

La alternativa 1 es la que presenta un mayor alejamiento con respecto a la ensenada de Plentzia, mientras que la alternativa 3 es la más cercana a las playas.

El resto de opciones se hallan en una posición intermedia entre ambas.

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Figura 10. Alternativas de trazado del emisario.

Alternativa 3

Alternativa 3g

Alternativa 2

Alternativa 1

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3. MODELADO DE LA HIDRODINÁMICA MARINA

Para realizar el estudio de la evolución de cualquier sustancia u organismo presentes en la columna de agua en el medio marino es condición indispensable conocer el campo de velocidades en cada punto de la zona de interés.

En general las corrientes predominantes obedecen a cuatro causas fundamentales:

• Marea.

• Viento.

• Rotura del oleaje.

• Corrientes baroclínicas.

Además, pueden existir otras corrientes generadas por fenómenos de gran escala difíciles de predecir y modelar. Éstas no tienen periodicidad suficiente ni son de gran magnitud, por lo que resulta habitual prescindir de ellas en la mayor parte de los casos.

Para el modelado matemático de las corrientes generadas por la acción de la marea y del viento se realiza la integración numérica de las ecuaciones de cantidad de movimiento y de continuidad, empleando el método de las diferencias finitas que precisa generar una malla que abarque la zona de interés y que contenga las profundidades en cada punto.

El hecho de trabajar con modelos matemáticos implica que se haga necesario un tratamiento diferente para cada uno de los fenómenos.

Las corrientes debidas a la onda de marea se analizan mediante un modelo hidrodinámico bidimensional (modelo H2D), que integra las ecuaciones de onda larga promediadas en vertical. (modelo descrito en el Anejo 1).

Las corrientes debidas al viento se estudian por medio de un modelo hidrodinámico cuasi-tridimensional (modelo H2DZ), debido a que poseen una estructura vertical distinta (el viento moviliza el agua sobre todo en superficie, mientras que en el fondo su efecto es, en muchas ocasiones, inapreciable). Este modelo se detalla en el Anejo 1.

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Puesto que la zona de vertido se encontrará, previsiblemente y en condiciones normales, alejada con respecto a la costa, la zona de rompientes se situará fuera de la misma, no considerándose a efectos del modelado que se presenta en este informe, las corrientes de rotura del oleaje.

En el Anejo 1 se incluye una descripción detallada de los modelos numéricos mencionados.

3.1. CALIBRACIÓN DE LOS MODELOS HIDRODINÁMICOS Un paso importante a la hora de la utilización de modelos numéricos es la calibración de los mismos, de manera que los resultados obtenidos representen lo mejor posible la realidad. Esto se consigue mediante la utilización y contraste de los modelos con datos y resultados conocidos, de manera que sea fiable en las condiciones de estudio, y que el error generado en los mismos tenga un valor asequible.

En el Anejo 2 se detallan los trabajos llevados a cabo para el ajuste de los modelos numéricos de hidrodinámica marina en la zona costera de Gorliz. Éstos pueden resumirse en dos etapas:

Análisis de datos oceanográficos

Calibración de los modelos hidrodinámicos H2D y H2DZ

3.1.1. Análisis de datos oceanográficos

Se dispone de la campaña oceanográfica realizada por AZTI-Tecnalia en los meses de agosto y septiembre de este mismo año, de la que se obtuvieron las variaciones del nivel de mar y se midieron las direcciones e intensidades de las corrientes a varias profundidades en un punto situado frente al litoral objeto de estudio (figura 11), fuera de la zona de rompientes del oleaje.

En esta fase se analizan los datos de nivel del mar registrados en la campaña oceanográfica mediante el estudio de la variación de la superficie libre del mar por efecto de la marea astronómica, para lo que se utiliza la técnica del análisis armónico. Esta técnica permite reconstruir dicho registro como suma lineal de

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una serie de componentes de periodicidad conocida, que representan el efecto sobre el mar de las fuerzas de atracción gravitatoria de los cuerpos celestes.

En la figura 12 se muestra la comparación entre las series medida y reconstruida y el residuo (o diferencia entre ambas). Esta representación pone de manifiesto la bondad del ajuste alcanzado. El ajuste obtenido entre las series medida y reconstruida muestra un error relativo medio de tan sólo 3,6 cm, que resulta en un valor adecuado para este tipo de análisis.

Dicho ajuste se ha conseguido considerando las principales componentes diurnas (M2, S2, K2, L2, 2N2) y semi-diurnas (K1, O1,Q1) del movimiento.

Figura 11. Localización del correntímetro-mareógrafo.

Figura 12. Ajuste entre las series de nivel del mar medida y calculada mediante análisis armónico.

-2400 -2000 -1600 -1200 -800 -400 0 400 800 1200 1600 2000 2400 Tiempo (x10 minutos)

-2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

Nivel (m)

Serie reconstruida Serie medida Diferencia

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Los datos de corrientes se analizan utilizando diferentes sistemas de representación de los mismos, que permiten estudiar e interpretar sus variaciones.

A partir de los registros de corrientes obtenidos en la campaña de campo oceanográfica, puede dibujarse la distribución de velocidades correspondiente a cada nivel de medición. En los gráficos incluidos en la figura 13 puede apreciarse claramente la mayor dispersión de las corrientes en la capa superficial y en el siguiente nivel (a 4 m), y la predominancia de la dirección SW-NE en el resto de profundidades a las que se han tomado datos.

Figura 13. Distribuciones de las velocidades de las corrientes medidas en cada uno de los niveles de muestreo.

-40 -20 0 20 40

U (cm/s) -40

-20 0 20 40

V (cm/s)

-30 -20 -10 0 10 20 30 U (cm/s)

-30 -20 -10 0 10 20 30

V (cm/s)

-40 -20 0 20 40

U (cm/s) -40

-20 0 20 40

V (cm/s)

-30 -20 -10 0 10 20 30 U (cm/s)

-30 -20 -10 0 10 20 30

V (cm/s)

-100-75 -50 -25 0 25 50 75 100 U (cm/s)

-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100

V (cm/s)

-40 -20 0 20 40 60

U (cm/s) -40

-20 0 20 40 60

V (cm/s)

Superficie a 4 m

a 8 m a 12 m

a 16 m a 18 m

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Los perfiles verticales de velocidad de la corriente medidos podrían denotar una situación típica de corrientes generadas por la acción combinada de la marea astronómica y el viento, con un predominio del efecto de este último.

En la figura 14 se representa la distribución de las velocidades media y máxima del viento registradas por la estación meteorológica situada en el Faro de Punta Galea. El análisis de estos datos muestra, con respecto a los valores medios, una importante concentración de eventos de pequeña magnitud cerca del origen de intensidades, con una menor dispersión que la que correspondería a las velocidades de las corrientes medidas en la capa superficial. Sin embargo, esta mayor dispersión sí se observa para las intensidades máximas.

-15.00 -12.00 -9.00 -6.00 -3.00 0.00 3.00 6.00 9.00 12.00 15.00 U (m/s)

-15.00 -12.00 -9.00 -6.00 -3.00 0.00 3.00 6.00 9.00 12.00 15.00

V (m/s)

-20.00 -16.00 -12.00 -8.00 -4.00 0.00 4.00 8.00 12.00 16.00 20.00 U (m/s)

-20.00 -16.00 -12.00 -8.00 -4.00 0.00 4.00 8.00 12.00 16.00 20.00

V (m/s)

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Figura 14. Distribución de las velocidades media (imagen superior) y máxima (imagen inferior) del viento registradas por la estación meteorológica del Faro de Punta Galea.

3.1.2. Calibración de los modelos hidrodinámicos

Se ha establecido los datos de entrada más adecuados para la representación, mediante los modelos numéricos desarrollados por la Universidad de Cantabria, de la variación del nivel del mar observada, así como para la descripción con una aproximación suficiente, de las corrientes marinas generadas en la zona.

Como se ha mencionado, el trabajar con modelos matemáticos implica que se haga necesario un tratamiento diferente para cada uno de los fenómenos, así se estudian por separado las corrientes debidas a la onda de marea (modelo H2D) y las debidas al viento (modelo H2DZ).

Las condiciones de contorno en ambos modelos numéricos influyen de una forma determinante en la solución obtenida, por lo que su adecuada especificación es un aspecto muy importante.

En este sentido, en el caso del modelado de las corrientes generadas por la onda de marea, al objeto de poder establecer unas condiciones apropiadas, se ha considerado oportuno realizar una simulación del movimiento de las masas de agua en un ámbito geográfico muy superior al de la zona local de estudio.

Para ello se ha utilizado el procedimiento denominado de “mallas anidadas” que permite trasladar la información desde los contornos de esta área geográfica más amplia hasta la zona local de estudio mediante sucesivas simulaciones empleando el modelo numérico mencionado y reduciendo progresivamente el tamaño del área considerada para el modelado.

Este ámbito más amplio se ha extendido a la franja costera comprendida aproximadamente entre las Marismas de Santoña (en Cantabria) y Ondárroa (ver figura 15). Esta malla tiene unas dimensiones de 111x51 celdas, cada una de las cuales abarca una superficie de unos 920x920 m². Además, se utilizan otras dos mallas de menor cobertura espacial. La primera de ellas, abarca la zona costera comprendida entre la ría de Oriñón en Cantabria y el cabo Matxitxako. Esta malla consta de 325x229 celdas con una dimensión de 153x153 m². La segunda malla, de mayor detalle, comprende la zona de estudio, discretizada con celdas de

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51x51 m², y unas dimensiones totales de 541x427 elementos. La batimetría correspondiente a esta malla se muestra en la figura 16.

Figura 15. Esquema del proceso de anidación de mallas.

50 100 150 200 250 300

50 100 150 200

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

10 20 30 40 50

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

50 100 150 200 250 300 350 400

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50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

50 100 150 200 250 300 350 400

-100 0 10 20 40 60 80 100 m

Figura 16. Batimetría de la malla de detalle del estudio (cotas en m).

Las condiciones de contorno empleadas para la simulación de la acción de la marea astronómica en esta zona se han obtenido mediante la utilización de la base de datos de marea de Grenoble.

La calibración y validación de un modelo numérico es un proceso consistente en la adecuación de los datos de entrada de dicho modelo de modo que sus resultados permitan reproducir, en la medida de lo posible, los datos medidos.

Se consideran dos escenarios distintos que responden a modificaciones en la forma de especificar las condiciones de contorno en los bordes abiertos de la malla de cálculo. En el primero de ellos (escenario 1), en los 3 bordes abiertos de la malla de detalle se especifican las condiciones de nivel obtenidas en el proceso de anidamiento. En el segundo escenario planteado (escenario 2) tan sólo se imponen dos de las condiciones de nivel generadas a través de este procedimiento.

El modelo hidrodinámico reproduce adecuadamente las oscilaciones del nivel del mar registradas durante la campaña, en ambos escenarios, considerando los siguientes valores para los coeficientes de fricción de fondo (C) y de viscosidad de remolino (ε) que se indican en la tabla 5.

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Escenario Coeficiente de fricción (m^1/2.s) Viscosidad de remolino (m²/s)

1 55 1.5

2 45 2.0

Tabla 5. Valores de los parámetros obtenidos en el ajuste de las variaciones del nivel del mar por acción de la marea astronómica.

En la figura 17 se representa la comparación de los niveles medido y modelado en el caso del escenario 1.

La calibración de las magnitudes y direcciones de las corrientes no resulta tan inmediata como en el caso anterior. Ello es debido a que los datos medidos pueden registrar la acción simultánea y combinada de diversos mecanismos generadores de movimiento del agua, algunos de ellos difíciles de predecir.

Incluso, la acción del viento es muy difícil de representar dada su gran variabilidad en intensidad y dirección. A lo que hay que añadir el hecho de que la información sobre las condiciones de viento durante la realización de la campaña procede de una estación de medida situada en tierra, a una altitud de unos 60 m por encima del nivel del mar, y distante algo más de 6 kilómetros del punto de medición de corrientes.

Figura 17. Comparación de los niveles de marea medidos y calculados con el modelo numérico.

El primer paso consiste en comprobar si el efecto de la marea astronómica podría dar lugar a un régimen de velocidades similar al registrado en las estaciones de muestreo.

8/7/06 09:20 8/8/06 09:20 8/9/06 09:20 8/10/06 09:20 8/11/06 09:20 8/12/06 09:20 8/13/06 09:20 8/14/06 09:20 8/15/06 09:20 8/16/06 09:20 8/17/06 09:20 8/18/06 09:20 8/19/06 09:20 8/20/06 09:20 8/21/06 09:20 8/22/06 09:20 8/23/06 09:20 8/24/06 09:20 8/25/06 09:20 8/26/06 09:20 8/27/06 09:20 8/28/06 09:20 8/29/06 09:20 8/30/06 09:20 8/31/06 09:20 9/1/06 09:20 9/2/06 09:20 9/3/06 09:20 9/4/06 09:20 9/5/06 09:20 9/6/06 09:20 -2.50

-2.00 -1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50

Nivel (m)

Modelado Medido

(24)

Estas velocidades son, en el caso del escenario 1, de menor intensidad que las medidas, mientras que en el caso del escenario 2, llegan a duplicar los valores de los datos registrados.

Lógicamente, la comparación de los resultados se lleva a cabo con las medidas de corrientes realizadas en el nivel más próximo al fondo, donde el efecto del viento es más reducido, y la marea astronómica, podría ser, presumiblemente, uno de los factores que más contribuyen al movimiento de las masas de agua.

En la figura 18 se muestran las velocidades de marea obtenidas en dicho nivel de profundidad para ambos escenarios, mientras que en la figura 19 se muestra la comparación de las componentes de las corrientes registradas en dicho nivel de medición, con los resultados obtenidos del modelado realizado (escenario 1).

Para realizar esta comparación se ha seleccionado 3 periodos de tiempo a lo largo de la campaña de campo para los que la intensidad del viento es más reducida (por debajo de 1 m/s).

-0.30 -0.25 -0.20 -0.15 -0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 U (cm/s)

-0.30 -0.25 -0.20 -0.15 -0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

V (cm/s)

-0.50 -0.40 -0.30 -0.20 -0.10 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 U (cm/s)

-0.50 -0.40 -0.30 -0.20 -0.10 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50

V (cm/s)

Figura 18. Velocidades obtenidas mediante modelado matemático de la acción de la marea astronómica en los escenario 1 (imagen de la izquierda) y 2 (imagen de la derecha).

(25)

8/17/06 14:30 8/17/06 15:30 8/17/06 16:30 8/17/06 17:30 8/17/06 18:30 8/17/06 19:30 8/17/06 20:30 -25

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

Velocidad (cm/s)

8/24/06 16:30 8/24/06 17:30 8/24/06 18:30 8/24/06 19:30 8/24/06 20:30 -5

0 5 10

Velocidad (cm/s)

8/31/06 17:40 8/31/06 18:40 8/31/06 19:40 8/31/06 20:40 8/31/06 21:40 -10

-5 0 5

Velocidad (cm/s)

Figura 19. Comparación entre las corrientes de marea modeladas (línea continua) y las corrientes marinas medidas a 20 m de profundidad. El color azul representa la componente u de la velocidad,

mientras que el color rojo se corresponde con la componente v. Cálculos para el escenario 1.

Sobre los datos mostrados en la comparación cabe destacar la importante variabilidad observada en las corrientes, que llegan a cambiar alternativamente de signo en un lapso de tiempo de tan sólo 10 minutos. Por el contrario, las corrientes de marea obtenidas responden a la evolución cíclica de ésta, mostrando una pauta senoidal.

Puede apreciarse que en los dos últimos periodos representados, se consigue reproducir la tendencia observada, hallándose en algunos casos las velocidades obtenidas del modelado realizado, en un rango intermedio entre los valores registrados.

(26)

Como se ha indicado, los datos de corrientes registrados en la zona, parecen indicar la posibilidad de que sea el viento uno de los posibles responsables de un régimen de velocidades como el señalado.

Para confirmar esta hipótesis, se ha procedido al modelado de las corrientes generadas en diversas situaciones de viento. Esta acción se ha sumado linealmente al efecto de la marea astronómica, comparándose las corrientes obtenidas con las registradas en el nivel de medición más profundo.

El modelado del efecto del viento requiere, como condiciones de contorno, la definición del evento de viento actuante, y el establecimiento de los valores de los coeficientes de fricción con el fondo y de viscosidad de remolino.

La simulación de la acción de este agente meteorológico se realiza tomando como dominio de referencia el correspondiente a la malla de detalle de la zona de estudio, especificándose como condición de contorno una variación nula de la superficie libre del agua en los bordes abiertos de la malla de cálculo.

Estas situaciones se corresponden con las intensidades y direcciones medias (promedio a lo largo de todo el periodo de tiempo considerado) que se recogen en la tabla 6.

SITUACIÓN DE VIENTO DIRECCIÓN MEDIA (º N) INTENSIDAD MEDIA(m/s)

Evento 1 (16 agosto) 159 3.6

Tabla 6. Direcciones e intensidades de viento consideradas.

En la figura 20 se muestra la comparación entre las velocidades obtenidas mediante modelado matemático, considerando la superposición de las velocidades originadas por la marea astronómica y el viento, y los datos de corriente registrados.

(27)

Figura 20. Comparación entre las velocidades y direcciones de las corrientes modeladas (línea continua) y medidas a 20 m de profundidad. El color azul representa la componente u de la

velocidad, mientras que el color rojo se corresponde con la componente v. Cálculos para el escenario 1.

8/15/06 23:50 8/16/06 01:50 8/16/06 03:50 8/16/06 05:50 8/16/06 07:50 8/16/06 09:50 -15

-10 -5 0 5 10 15

Velocidad (cm/s)

8/20/06 11:20 8/20/06 12:20 8/20/06 13:20 8/20/06 14:20 8/20/06 15:20 -10

-5 0 5 10 15

Velocidad (cm/s)

8/21/06 11:30 8/21/06 13:30 8/21/06 15:30 8/21/06 17:30 8/21/06 19:30 8/21/06 21:30 -15

-10 -5 0 5 10

Velocidad (cm/s)

8/26/06 08:40 8/26/06 10:40 8/26/06 12:40 8/26/06 14:40 8/26/06 16:40 8/26/06 18:40 -10

-5 0 5 10 15 20 25 30

Velocidad (cm/s)

(28)

Con respecto a dicha comparación, cabe mencionar la importante variabilidad observada en los datos registrados (con alternancias bruscas de signo), aún cuando las mediciones de la estación meteorológica no muestran, en general a lo largo de los periodos seleccionados, variaciones significativas en la intensidad y dirección del viento.

Además, es preciso señalar que cabe la posibilidad de que en el punto de muestreo, el régimen de vientos difiera, sustancialmente del medido en tierra, aspecto que no es posible evaluar con los datos de la campaña.

Además podrían existir otras corrientes, que no han podido ser evaluadas a partir de los datos registrados, que contribuyan de forma apreciable en ciertos periodos de tiempo, al movimiento de las masas de agua en la zona costera objeto de estudio.

Pese a la existencia de estos interrogantes, a la vista de los resultados de la modelización matemática, las condiciones medidas se pueden reproducir, con un grado de aproximación suficiente, mediante la consideración del efecto conjunto de la marea y del viento.

3.2. CORRIENTES GENERADAS POR LA MAREA ASTRONÓMICA

Una vez realizado el paso anterior de calibrado del modelo, se tiene una adecuada valoración de los parámetros: de la batimetría de la zona (representando el dominio de estudio mediante un malla de profundidades), de las condiciones de contorno de nivel de marea y de los valores de dos parámetros de calibración, fricción con el fondo o de Chezy y viscosidad de remolino.

En las figuras 21 y 22 se representan los campos vectoriales de corriente inducidos por dicho movimiento ondulatorio (carrera de marea de aproximadamente 3 m) en dos instantes coincidentes con las situaciones de máximas velocidades llenantes y vaciantes.

En el Anejo 3 se incluyen los campos de velocidades generados durante un ciclo de marea (24 h) en la zona de estudio.

(29)

(30)

Figura 21. Corrientes de marea llenante.

(31)

Figura 22. Corriente de marea vaciante.

(32)

3.3. CORRIENTES GENERADAS POR EL VIENTO

El cálculo de las corrientes de viento se realiza con base en el modelo H2DZ, desarrollado por la Universidad de Cantabria, que permite representar el movimiento de las masas de agua inducido por dicho agente meteorológico.

El modelado del efecto del viento requiere, al igual que en el caso de la marea, la especificación adecuada de las condiciones de contorno, la definición del evento de viento actuante, y el establecimiento de los valores de los coeficientes de fricción con el fondo y de viscosidad de remolino.

La simulación de la acción de este agente meteorológico se realiza tomando como dominio de referencia el mismo que en el caso anterior, especificándose como condición de contorno una variación nula de la superficie libre del agua en los bordes abiertos de la malla de cálculo.

Se han seleccionado dos intensidades de viento representativas del régimen observado: vientos moderados (entre 2 y 8 m/s) y vientos fuertes (más de 8 m/s).

Los primeros se han representado por una velocidad media de 5 m/s, mientras que para los segundos se ha considerado una velocidad media de 10 m/s.

En las figuras 23 y 24 se muestran las corrientes medias obtenidas para vientos del W y NW, que se encuentran entre los que presentan una mayor probabilidad de ocurrencia.

En el Anejo 4 se incluyen los campos vectoriales de corrientes calculados para cada una de las ocho direcciones significativas consideradas y velocidades de 10 m/s.

(33)

Figura 23. Velocidades medias en la columna de agua originadas por viento del W.

(34)

Figura 24. Velocidades medias en la columna de agua originadas por viento del NW.

(35)

4. DISEÑO AMBIENTAL DEL EMISARIO

4.1. INTRODUCCIÓN

A la hora de realizar un vertido al mar, el emisario submarino habitualmente constituye el último elemento del Sistema General de Saneamiento. Dicha infraestructura se considera una forma de vertido muy adecuada cuando se trata de eliminar efectos debidos a la introducción de materia consumidora de oxígeno o de contaminación de origen fecal.

El estudio de la dispersión y transporte de los contaminantes evacuados en el medio marino a través del emisario se suele abordar considerando dos mecanismos de dilución diferentes. La dilución inicial, que se produce en las proximidades del vertido, y la secundaria, debido al efecto dispersivo de las corrientes marinas y a los procesos de inactivación bacteriana.

Cuando un efluente sale del emisario, la cantidad de movimiento del flujo y la diferencia de densidad con el medio que lo rodea da lugar a una mezcla turbulenta, que es el motor de la dilución inicial. A la zona en que se producen dichos fenómenos se la denomina “campo cercano” y en ella, la dilución obtenida depende, sobre todo, de ciertas características del medio receptor como son el perfil de la densidad y la velocidad de la masa de agua receptora.

En condiciones de fuerte estratificación el efluente puede llegar a atraparse a una cierta profundidad, donde tendrá una densidad similar a la del medio que lo rodea. En caso contrario alcanzará la superficie. A partir de este momento, son las características hidrodinámicas del medio las responsables de la posterior evolución del vertido, en lo que se denomina “campo lejano”, donde se producen los fenómenos de dilución secundaria.

(36)

4.2. DILUCIÓN INICIAL

4.2.1. Introducción.

La dilución inicial de un vertido es el resultado de la mezcla entre el efluente evacuado a través de la conducción submarina y el medio acuático que la circunda. Dicha dilución depende, entre otros, de aspectos tales como la diferencia de densidad entre ambos fluidos, la cantidad de movimiento del efluente en su salida, o el transporte y dispersión del mismo debido a las corrientes acuáticas.

Cuando la mezcla entre el efluente y las aguas receptoras está dominada por la cantidad de movimiento del agua vertida, o por la diferencia de densidad señalada, el proceso se denomina de dilución inicial, mientras que si ésta es debida al transporte del efluente por las corrientes marinas, recibe el nombre de dilución secundaria.

Desde el punto de vista de las fuerzas impulsoras del movimiento, el efluente vertido en el medio receptor puede presentar forma de "chorro" o "pluma". En el primero de los casos las fuerzas dominantes en el proceso de dilución inicial son debidas a la propia cantidad de movimiento del fluido; en el segundo el transporte se origina, principalmente, por la diferencia de densidad entre el efluente y el agua circundante.

Mientras que la dilución inicial en chorros depende principalmente de la cantidad de movimiento del efluente, la dilución inicial en plumas está altamente influenciada por las características ambientales del medio acuático (corrientes, densidad) y de la forma en que el efluente se introduce en el medio. La descarga del mismo puede llevarse a cabo directamente, a través de la tubería que lo transporta hasta el punto de vertido (por boca única), o mediante unos dispositivos de descarga llamados difusores.

En el caso de emisarios submarinos habitualmente el chorro "desaparece" a poca distancia del punto de descarga y el efluente pasa a comportarse principalmente como pluma.

(37)

4.2.2. Formulación del fenómeno de dilución inicial.

El comportamiento inicial del efluente descargado a través de la conducción de vertido está generalmente gobernado por la cantidad de movimiento de la descarga, aunque la diferencia de densidades crea fuerzas flotantes verticales que tienden a forzar el movimiento vertical del fluido. Bajo estas circunstancias, el efluente se comporta como un chorro flotante o una pluma forzada. En términos generales la dinámica de las plumas puede ser definida por el flujo de masa, la cantidad de movimiento y por el flujo de flotabilidad. El movimiento decrece más rápidamente que la densidad y, eventualmente, las fuerzas flotantes dominarán, convirtiendo al chorro flotante en una pluma. Ambos flujos, plumas y chorros turbulentos, son un mecanismo efectivo para conseguir altos niveles de dilución inicial.

En una masa de agua real, el comportamiento del chorro depende además de parámetros ambientales como pueden ser turbulencias locales, posibles estratificaciones y la presencia de corrientes. Los tres flujos mencionados, como los define Fischer et al.(1979), se pueden analizar como se indica a continuación.

El flujo de masa que atraviesa una sección de área A por unidad de tiempo, se puede definir como:

ρq =∫ A ρw dA Donde,

ρ = Densidad del efluente.

q = Flujo del chorro o de la pluma.

w = Velocidad media en la dirección del eje del chorro o la pluma.

El flujo de cantidad de movimiento, es la cantidad de movimiento que atraviesa una sección por unidad de tiempo, se define como:

ρm =∫ A ρw² dA Donde,

(38)

m = Flujo de cantidad de movimiento.

Finalmente, el flujo de flotabilidad es el peso flotante que atraviesa una sección por unidad de tiempo, se estima como:

ρβ =∫ A gρw dA Donde,

β = Flujo de flotabilidad.

g = Aceleración de la gravedad.

4.2.3. Modelos utilizados en el estudio.

Numerosos estudios de campo han proporcionado una base sólida para la verificación de teorías capaces de predecir el comportamiento hidráulico de una descarga en una masa de agua dinámica. Por ello, se han derivado diferentes soluciones numéricas a partir de técnicas analíticas y han sido desarrollados modelos sofisticados para una predicción más exacta de los comportamientos de chorros y plumas.

Como se ha dicho, el comportamiento de la introducción de un vertido de aguas residuales depende de la dinámica y la estratificación de la masa de agua receptora.

Para el cálculo de la dilución inicial se ha considerado que el vertido se realiza mediante múltiples bocas de descarga y que el tramo difusor del emisario submarino, presenta una sección constante a lo largo de todo él.

Se ha seleccionado una configuración base para el tramo difusor constituida por tubos elevadores equipados con dos bocas de descarga situadas en direcciones opuestas.

(39)

Para el estudio del fenómeno de la dilución inicial de este tipo de vertidos se cuenta con numerosas formulaciones desarrolladas desde mediados del siglo pasado. Entre ellas cabe destacar por su relevancia práctica las desarrolladas por Roberts (CHN, 1996) en los años 1979 y 1989 que se hallan implementadas en el modelo PLUMES de la E.P.A. Este investigador realizó numerosos experimentos de laboratorio con una configuración de tramo difusor similar a la considerada en este caso (ver figura 25).

Figura 25. Configuración base de los ensayos realizados por Roberts (1989). Fuente: Roberts et al (1989).

En sus ensayos analizó el comportamiento de la pluma vertida (tal como se muestra en la figura 26), lo que le permitió construir una serie de gráficos a partir de observaciones empíricas. Dichos gráficos pueden ajustarse a expresiones analíticas que permiten obtener de un modo sencillo la dilución inicial alcanzada.

En la figura 27 se muestra las curvas obtenidas para medio receptor estratificado.

La comparación de los resultados obtenidos con estas expresiones con las medidas realizadas en campo ha mostrado que este método permite conseguir una buena aproximación en los cálculos de dilución.

(40)

Con posterioridad a los trabajos del año 1989, Roberts y su equipo de colaboradores, han seguido realizando ensayos de laboratorio que, junto con el perfeccionamiento de los equipos de medida, han permitido definir de un modo más preciso las expresiones más adecuadas para el diseño del tramo difusor de un emisario submarino (figuras 28 a 30).

Figura 26. Fotogramas de los ensayos realizados por Roberts (1989).

Figura 27. Curvas de dilución inicial para medio receptor estratificado a partir de los ensayos de Roberts (1989)

Perpendicular

Paralela 45º

Número de Froude, 5

4

3

2

1

00 0,1 1 10 100

3 /

b2

qN S_m

b F u

3

= 97

,

3 0

/

2 =

b qN S_m

52 , 0 19 , 2 ¹^/⁶

3 /

2 = F −

b qN S_m

1/ 3 2 /3

mqN

S = 0,6F +0,73 b

1/ 6 2 /3

mqN

S = 0,935F +0,276 b

Perpendicular

Paralela 45º

Número de Froude, 5

4

3

2

1

00 0,1 1 10 100

3 /

b2

qN S_m

b F u

3

= 97

,

3 0

/

2 =

b qN S_m

52 , 0 19 , 2 ¹^/⁶

3 /

2 = F −

b qN S_m

1/ 3 2 /3

mqN

S = 0,6F +0,73 b

1/ 6 2 /3

mqN

S = 0,935F +0,276 b

F = 0

F = 0,1

F = 1

F = 10 F = 0

F = 0,1

F = 1

F = 10

(41)

En publicaciones realizadas en el año 2004, estos investigadores incluyen el gráfico que se reproduce en la figura 28 que permite calcular la dilución inicial mínima para un emisario con vertido en un medio receptor no estratificado en reposo.

Figura 28. Variación de la dilución en función de la separación entre bocas de descarga para vertido en medio receptor no estratificado en reposo.

Figura 29. Criterios de diseño para un emisario con múltiples bocas de descarga para vertido en medio receptor no estratificado en reposo.

A partir de las figuras 28 y 29 se tiene que para el caso de medio receptor no estratificado en reposo y una separación entre las bocas de descarga inferior a la mitad de la profundidad de vertido podría aplicarse la siguiente expresión para el cálculo de la dilución inicial mínima (Eq. 9 según nomenclatura en las figuras)

49 ,

3 0

/

1 =

H b

q S_n

(42)

En esta expresión S_n es la dilución inicial mínima, q el caudal por unidad de longitud de tramo difusor, b la flotabilidad (b=g'q) y H es la profundidad de vertido.

Un factor que incide sobre la dilución inicial alcanzada es la velocidad de la corriente. Roberts (1989) comprobó que la dilución se incrementa a medida que aumenta la intensidad de la corriente cuando el número de Froude de la corriente

( b

F u

3

= , donde u es la velocidad de la corriente y b es la flotabilidad, definida

por 



 



=  L g Q

b ' ) resulta superior a 0,1 (ver figura 28). Las investigaciones posteriores (año 2004) mostraron que la expresión anterior es aplicable para valores de F no superiores a 0,3.

Figura 30. Variación de la dilución en función de la separación entre bocas de descarga para vertido en medio receptor no estratificado con corriente

Similar comentario cabe hacer respecto a la influencia del ángulo de incidencia de la corriente con el eje del tramo difusor. La dilución depende de este ángulo para valores del número de Froude de la corriente superiores también a 0,1. Para